3. Технологический расчет механических и Na-катионитных фильтров.

1) Механические фильтры.

Пропуск осветленной воды через механический фильтр снижает концентрацию взвешенных веществ (шлама) до 1 мг/л и предупреждает случайные забросы шлама из осветлителя.

Принципиальная схема однокамерного однопоточного механического фильтра показана на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема однопоточного механического фильтра:

I – фильтрующий материал (дробленый антрацит); II – распределительное устройство; III, IV – люки для осмотра и проведения ремонта фильтра; 1 – подача обрабатываемой воды; 2 – выход осветленной воды; 3 – промывочная вода; 4 – выход промывочной воды; 5 – сброс воды в дренаж; 6 – подача сжатого воздуха

Фильтроцикл работы механического фильтра предусматривает рабочий период – фильтрацию воды сверху – вниз через зернистую загрузку (обычно – дробленный антрацит) и взрыхляющую промывку снизу – вверх водой и воздухом с удалением накопившейся грязи. Технологические показатели работы механического фильтра приведены в табл. 4.

Таблица 4. Технологические показатели механических фильтров

Показатели	Обозначение	Величины
Скорость фильтрования, м/ч	W	56
Интенсивность взрыхления, л/м2·с	i	1013
Время взрыхления, мин.	τвзр.	57
Удельная грязеёмкость, кг/м3	Г	2,03,0
Высота загрузки фильтрующего материала, м	h	0,91,0

Технологический расчет механических фильтров состоит в определении времени работы одного фильтра между взрыхляющими промывками, необходимом количестве МФ для обработки всего потока воды, необходимом объеме фильтрующего материала, скорости фильтрования воды и необходимом расходе воды на взрыхляющую промывку. При этом ряд параметров процесса принимается на основании опыта эксплуатации, отраженного в руководящих технических материалах. Такими нормативными параметрами являются:

- допустимая высота загрузки, h– не более 1м;

- допустимая скорость фильтрования, W_ф^доп– менее 10 м/ч;

- минимальное количество МФ, n– 3 шт;

- диаметр фильтра – из стандартного ряда, d– 2,0м; 2,6; 3,0м; 3,4м;

Для расчета технологических характеристик используются следующие базовые уравнения:

- уравнение материального баланса:

(17)

- уравнение фильтрации:

, м/ч (18)

- уравнение расхода взрыхляющей воды:

, м³/ч (19)

где, V_загр– объем загрузки фильтрующего материала в одном фильтре:

Г – удельная грязеемкость загрузки, кг/м³(по табл. 7.);

Q– расход обрабатываемой воды на все фильтры, м³/ч;

n– количество установленных фильтров с учетом одного резервного, шт;

Т – время работы фильтра между промывками, ч;

C_взв.в.– концентрация взвешенных веществ, удаляемых из воды, мг/л;

W_ф– фактическая скорость фильтрования воды, м/ч;

d– диаметр установленных механических фильтров, м;

i– интенсивность взрыхления, л/(м²с).

Перед расчетом необходимо выбрать количество и диаметр устанавливаемых фильтров. Для этого используется уравнение фильтрации (18) в предположении, что n≥3;W_ф ≤W_ф^доп;d– из стандартного ряда, желательно большего диаметра.

>W_ф^доп=10 м/ч

Увеличивая число фильтров, получим фактическую скорость фильтрования:

Такую скорость фильтрования можно принять в качестве проектной, имея ввиду, что один из установленных фильтров находится в резерве, а один фильтр выведен из работы на взрыхляющую промывку. Такая скорость обеспечивает требуемую глубину удаления взвешенных веществ.

Технологические характеристики:

- грязеемкость одного фильтра (Г)=3 кг/м³;

- высота загрузки (h_загр)=1,0м;

- объем загрузки (V_загр)=h_загр∙πd²/4=1,0∙3,14 ∙3² /4=7,069 м³;

- время работы фильтра, ч, определяется из уравнения материального баланса(17):

Из уравнения (19) расход взрыхляющей воды:

Дальнейшая обработка осветленной воды производится на Na– катионитных фильтрах.

2. Na-катионитные фильтры.

После Na-катионитных фильтров уменьшается общая жесткость воды до величины остаточной жесткости – Ж_o^Na=0,1 мг-экв/л. При этом в воду поступает эквивалентное удаленному количество мг-эквNa⁺согласно уравнению химической реакции ионного обмена:

2NaR+Ca²⁺→;←CaR₂+2Na⁺

Концентрации других ионных примесей остаются неизменными. Если требуется более глубокое удаление из воды катионов кальция и магния, то применяют 2-ю ступень умягчения воды на Na-катионитных фильтрах, что позволяет снизить общую жесткость воды до 0,01 мг-экв/л.

Принципиальная схема Na– катионитного фильтра приведена на рис.4.

Рис. 4. Принципиальная схема однопоточного прямоточного катионитного фильтра:

1 – вход обрабатываемой воды; 2 – выход обработанной воды; 3 – подача взрыхляющей воды; 4 – сброс промывочной воды; 5 – подача регенерационного раствора; 6 – сброс регенерационного раствора и отмывочной воды; 7 – нижнее распределительное устройство; 8 – верхнее распределительное устройство; 9 – люк для ревизии и ремонта фильтра; 10 – смотровой люк

Рабочий процесс фильтрования воды производиться также, как на механическом фильтре: сверху – вниз. Процесс восстановления рабочей способности катионита – регенерация - складывается из трех стадий: взрыхление, собственно регенерация и отмывка катионита от продуктов регенерации. Также, как и в расчете механических фильтров здесь необходимо опираться на опытные (или нормативные) параметры технологического процесса, основные из которых приведены в табл. 5.

Таблица 5. Основные технологические показатели для Na-катионитовых фильтров

Показатели	Обозначение	Величины
		Na1	Na2
Скорость фильтрования при Ж0 до 5,0 мг-экв/л, м/ч	WФ	1015	2530
Интенсивность взрыхления, л/м²·с	i	4	4
Линейная скорость взрыхления, м/ч	WВЗР	14	14
Продолжительность взрыхления, мин.	τВЗР	15	15
Скорость пропуска регенерационного раствора, м/ч	WРР	34	35
Скорость пропуска отмывочной воды, м/ч	WОТ	68	68
Удельный расход отмывочной воды, м³/м³	qОТ	4	4
Концентрация регенерационного раствора, %	СNaCl	68	812
Удельный расход поваренной соли на регенерацию, г/г-экв	dNaCl	170230	350400

В расчете технологических характеристик Na-катионитных фильтров используются следующие базовые уравнения:

- уравнение материального баланса ионов:

(20)

- уравнение фильтрации:

,м/ч (21)

- уравнение регенерации (расхода 100% - го реагента NaCl):

, кг (22)

- уравнение стоков Na-катионитного фильтра:

расход соли NaClв сток:

, кг (23)

расход солей жесткости (CaCl₂иMgCl₂) в сток:

, г-экв (24)

где, Ж_о– общая жесткость осветленной воды, поступающей наNaR, мг-экв/л;

E_р – рабочая обменная емкость катионита по катионам жесткости, г-экв/м³;

q_NaCl– удельный расход соли на регенерацию, г/г-экв;

58,5 – эквивалент соли NaCl.

Остальные обозначения такие же, как в уравнениях (17)-(19) расчета механических фильтров.

Расчет начинается с определения необходимого числа фильтров (n) при заданной максимальной допустимой скорости фильтрования 20 м/ч и диаметре фильтров из стандартного ряда: 2,0 м; 2,6 м; 3,0 м; 3,4 м. Расчет выполняется аналогично тому, как показано для механических фильтров (в случае монтажа в фильтре дренажной системы в форме «ложного дна» с большим количеством фильтровальных элементов – колпачков, предельная допустимая скорость фильтрования воды может быть увеличена до 30 м/ч).

Скорость фильтрования из уравнения фильтрации (21):

скорость допустима, т.к. она лежит в

пределах 10 – 15 м/ч.

Из уравнения материального баланса ионов (20) время работы одного фильтра:

;

Расход 100% - го реагента NaClиз уравнения регенерации (22):

Расход соли NaClв сток по уравнению (23):

Расход солей жесткости (CaCl₂иMgCl₂) в сток:

Таблица 6. Параметры установок для обработки данной воды

Параметры	Осветлитель	механический фильтр	Na-катионитный фильтр
Диаметр d; м	7,0	3	3,4
Высота hзагр; м	9,65	1,0	1,2
Скорость W;м/ч	─	5,89	13,77
Время работы T; ч	─	118,76	75,53
Количество фильтров n; шт	2 (ВТИ - 160И)	8	4

Используемая литература

1. Копылов А.С., Лавыгин В.М., Очков В.Ф./Водоподготовка в энергетике., Москва, изд. МЭИ, 2003г., стр.44-46.

2. Лекции по курсу «ХТ ПАР ВПУ».